風化泥質砂巖地層隧道結構安全性研究

孫立成,何婭蘭,徐海巖

(1. 四川蜀道鐵路投資集團有限責任公司 成都市 610031; 2. 四川農業大學 土木工程學院 都江堰市 611830;3. 四川農業大學 村鎮建設防災減災四川省高等學校工程研究中心 都江堰市 611830)

0 引言

隨著中國基建的高速發展和國家戰略需求,愈來愈多的隧道工程穿越極為復雜的不良地質地層,嚴重影響隧道施工進度和施工安全,給設備和生命財產安全帶來極大的威脅。其中,風化泥質砂巖地層具有親水礦物含量較高、遇水或長時間暴露易軟化、崩解的特征,極易引起隧道結構的坍塌和變形。

目前,國內外學者對于泥質砂巖地層物理力學特性及隧道施工特性已有一定的研究。陳子全等[1]對泥質砂巖的物理力學特性及相關能量損傷機制進行分析,研究結果對于了解泥質砂巖地層的圍巖特性具有重要的參考價值。岳喜軍[2]對泥質砂巖的應力應變和強度特性進行研究,研究結果表明泥質砂巖遇水軟化現象明顯并提出相關參數的計算表達式。劉海壯等[3]基于室內試驗得到泥質砂巖地層的試樣破壞形式,為該地層下隧道開挖和支護相關參數選取提供了一定的依據。池秋慧[4]對強風化泥質砂巖強度及蠕變特性進行研究,結果表明含水量對地層黏聚力影響較大,蠕變效應對泥質砂巖地層的強度有著很大的影響。此外,王峰[5]從盾構的選型、姿態的調整等方面對盾構隧道穿越泥質砂巖地層時的關鍵技術進行研究。

綜上所述,文章基于室內試驗、數值模擬以及現場測試,得到不同風化程度下的圍巖力學參數,對不同風化程度下的泥質砂巖地層特性及其對隧道施工的影響進行研究,量化不同風化程度下結構的受力和變形值,最后提出富水泥質砂巖地層圍巖穩定控制技術,研究結果可為泥質砂巖及類似地層的隧道施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

隆黃鐵路某隧道工程全長2150.2m,最大埋深243m,隧址區位于低山丘陵區,地勢起伏較大,地表植被極發育,多為灌木及竹林。隧址區位于中亞熱帶溫潤氣候區,雨量充沛,年均降雨量1174mm,年最大降雨量1695.5mm。

隧址區主要為不同風化程度的泥質砂巖,呈紫灰色,砂質結構,層狀構造,以粘土礦物為主,具有親水礦物含量較高、遇水或長時間暴露易軟化、崩解的特征,極易引起隧道結構的坍塌和變形。現場泥質砂巖地層如圖1所示。隧道施工過程中多次出現失穩現象。

圖1 現場施工圖

2 計算模型及參數

采用FLAC 3D計算軟件對不同風化程度下的隧道結構安全性進行分析。依據圣維南原理,計算模型的四周及下邊界取4倍洞徑,隧道埋深按實際埋深,采用彈塑性模型和 Mohr-Coulomb 屈服準則。鋼架和噴射混凝土在計算模型中采用等效剛度進行計算,初期支護為23cm厚噴射混凝土,鋼架間距1m,二襯采用40cm厚C35鋼筋混凝土,彈性模量具體計算如式(1)所示,計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型圖

(1)

式中:E為噴射混凝土折算后的彈性模量;E0為原噴射混凝土的彈性模量;Sg為鋼架的鋼筋截面積;Eg為鋼架的彈性模量;Sc為噴射混凝土截面積。

隆黃鐵路某隧道穿越強風化、中風化、弱風化泥質砂巖地層,遇水條件下極易發生隧道失穩問題。通過《鐵路隧道設計規范》、室內抗剪和固結試驗(圖3)得到不同風化程度下的圍巖和支護結構物理力學參數如表1所示。

圖3 強度參數測定

表1 泥質砂巖和支護結構物理力學參數表

3 泥質砂巖地層隧道結構安全性

基于泥質砂巖遇水或長時間暴露易軟化、崩解的特征,極易引起隧道結構的坍塌和變形,基于室內試驗得到的圍巖物理力學參數,對不同風化程度下的圍巖變形和支護結構受力進行分析。部分數值計算云圖如圖4所示,數值計算結果如表2所示。計算結果表明,當地層分別為弱風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖以及強風化泥質砂巖時,圍巖的拱頂沉降分別為23.1mm、36.8mm以及49.9mm,仰拱隆起分別為23.5mm、39.7mm、45.3mm,水平收斂分別為38.0mm、42.3mm、58.1mm。初期支護最大壓應力分別為8.14MPa、10.83MPa、14.26MPa,為支護結構極限承載力的33.6%、44.8%、58.9%,表明不同風化程度下的隧道圍巖變形和結構受力差異較大。

圖4 數值計算云圖

表2 不同風化程度下泥質砂巖地層隧道變形和支護結構受力表

4 富水泥質砂巖地層失穩控制

由于隧址區富水程度較大,施工過程中易產生圍巖失穩,進一步出現鋼架變形和支護結構開裂問題,采用以下工程措施對富水泥質砂巖地層圍巖失穩進行控制。

(1)進行超前深孔和輕型井點真空降水。超前深孔降水每循環進尺3m,掌子面噴射10cm混凝土進行加固。輕型井點降水雙排縱向布置,距離初期支護間距1.5m,每排縱向間距0.5m。每隔30m設置集水井,將掌子面及附近水源排出隧道。采用瞬變電磁法對隧道周邊圍巖富水情況進行探測,如圖5所示。

圖5 瞬變電磁法預報

(2)對隧道失穩段進行回填加固并進行徑向注漿,一方面加固圍巖,另一方面起到堵水的作用。初支開裂和拱架變形段進行拆換后及時施作二襯。

(3)恢復掌子面掘進后,采用機械開挖的方式進行掌子面掘進,控制臺階進尺為15m并及時施作二襯,及時施作錨桿和鎖腳錨桿。施作超前泄水孔,外插角7°～10°,同時加強仰拱積水抽排,避免圍巖長期浸泡軟化。遵循快挖快支原則,盡早閉合成環,當收斂沉降值過大時及時采取臨時支撐、注漿加固等增強措施。

對現場圍巖壓力和鋼架應力進行監測以判斷采取工程措施的有效性和結構安全性,現場監測如圖6所示。監測結果表明隧道圍巖壓力和鋼架應力在47d時能夠保持不變,處于穩定狀態。即現場采取的控制措施能有效保證富水泥質砂巖段的施工穩定。其中隧道左側邊墻內側的應力最大,右側拱肩外側第二大,仰拱外側最小。圍巖壓力在隧道仰拱處最大,右側拱肩最小,結構受力均在規定范圍內,處于安全狀態。

圖6 現場監測圖

5 結語

首先通過室內試驗和地勘資料得到弱風化、中風化和強風化泥質砂巖的物理力學參數,進一步基于數值模擬對不同風化程度下的結構受力和變形差異進行量化,最后提出富水泥質砂巖的圍巖穩定控制技術并通過現場監測驗證支護措施的有效性。研究結果表明,不同風化程度下的結構受力和變形均滿足控制要求,采取控制措施后,支護結構在第47d基本能保持穩定和安全狀態。